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双耳幅值差确定声源方向的神经信息处理机理研究

张宏 丁炯 童勤业 程千流

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双耳幅值差确定声源方向的神经信息处理机理研究

张宏, 丁炯, 童勤业, 程千流

Mechanism of neural information processing of sound localization by interaural level difference

Zhang Hong, Ding Jiong, Tong Qin-Ye, Cheng Qian-Liu
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  • 神经信息系统实质上是定量系统, 应引起足够重视. 关于神经系统的定量研究方面的报道比较少见. 这一问题将会影响进一步的研究, 如双耳声音定向. 双耳定向是定量测量, 用定性分析的方法无法满足要求. 已有的生理实验发现声音输入信号强度与听觉神经的输出频率存在单调递增关系, 所以本文中声音强度的变化被简化成神经脉冲频率的变化. 本文基于圆映射和符号动力学原理, 建立了神经回路定量模型, 模型中对同侧输入回路采用兴奋性耦合, 对侧输入回路采用抑制性耦合, 并考虑神经元间突触连接的量子释放特征, 采用化学耦合模型实现连接, 用耦合系数表示神经元间的耦合程度. 采用Hodgkin-Huxley模型仿真研究听觉神经回路的输入/输出脉冲序列关系. 在已经仿真过的参数范围, 模型在输入信号变化与输出脉冲频率变化间存在单调递增/递减的关系. 对于单输入单输出的神经元, 采用符号动力学方法进行符号化; 对于多输入单输出的神经元, 采用分析各输出脉冲的产生时间, 判断其变化位置, 从神经脉冲序列中得到对应的两耳声音幅值差变化, 以此定位声源. 随着输出脉冲数的增加, 符号序列的长度增加, 符号序列对输入信号变化敏感, 能够得到较高的测量精度. 仿真结果表明这个模型是定量的, 神经脉冲序列能够区分信号的大小.
    More attention should be paid to the neural system, which is a quantitative system. There are few reports about the quantitative research on neural system. It will hinder the quantitative studies on animal binaural sound localization. The existing physiological experiments have found that there is a monotonic increase/decrease relationship between the input sound levels and the output spike frequencies of auditory neurons, so the variations of input sound level can be simplified into the change of output spike frequency of auditory neurons. In this paper, based on the theory of circle map and symbolic dynamics, a quantitative model of auditory neural circuitry is presented. In this neural circuit model, the neurons of ipsilateral input circuit propagate the action potentials as excitatory inputs, the neurons of heterolateral input one propagate the action potentials as inhibitory inputs. We also use a chemical neuronal model, which shows that the neurotransmitters released from pre-synapse vesicles have characteristics of quantitative release. The strength of the coupling between two neurons is represented by a coupling coefficient. The relationship between the input/output spike sequences of neural circuitry is simulated by using an Hodgkin-Huxley equation. In the range of simulating parameters, there is a monotonic increase/decrease phenomenon between input and output spike frequency. For the neuron with a single input and output structure, it is symbolized according to the method of symbolic dynamics; for the neurons with multi-input and single output structure, the output spike time will be used to detect the input spike frequency variations which are caused by the changes of interaural level difference (ILD), and the binaural level differences from those spike sequences are analyzed to locate the source of the sounds. With the increase of output spikes, the length of symbolic sequence increases, the symbolic sequence is sensitive to the variation of input signal. The simulation results show that the quantitative model proposed in this paper is able to detect the ILD signals by neural spike sequences.
      通信作者: 张宏, zhangh@mail.bme.zju.edu.cn
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 60871085)、声纳技术重点实验室开放基金(批准号: KF201301)和浙江省自然科学基金(批准号: LQ15F030003)资助的课题.
      Corresponding author: Zhang Hong, zhangh@mail.bme.zju.edu.cn
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 60871085), the Key Laboratory of Sonar Fund (Grant No. KF201301), and Natural Science Foundation of Zhejiang Province, China (Grant No. LQ15F030003).
    [1]

    Jeffress L A 1948 J. Comp. Physiol. Psych. 41 35

    [2]

    Joris P X, Smith P H, Yin T C T 1998 Neuron 21 1235

    [3]

    Moiseff A, Konishi M 1981 J. Neurosci. 1 40

    [4]

    Massoud S, Aiken S J, Newmann A J, Phillips D P, Bance M 2011 Ear and Hearing 32 114

    [5]

    Tollin D J 2003 The Neuroscientist 9 127

    [6]

    Konishi M 1993 Sci. Am. 268 34

    [7]

    Nicholls J G, Martin A R, Wallace B G, Fuchs P A (translated by Yang X L) 2003 From Neuron to Brain (4th Ed.) (Beijing: Science Press) pp430-442 (in Chinese) [尼克尔斯 J G, 马丁 A R, 华莱士 B G, 富克斯 P A 著(杨雄里 等译) 2003 神经生物学——从神经元到脑 (北京: 科学出版社)第430–442页]

    [8]

    Campbell R A A, King A J 2004 Current Biol. 14 886

    [9]

    Rose J E, Hind J E, Anderson D J 1971 J. Neurophys. 34 685

    [10]

    Zhang H, Mo J, Tong Q Y 2007 Acta Biophys. Sin. 23 455(in Chinese) [张宏, 莫珏, 童勤业 2007 生物 23 455]

    [11]

    Tong Q Y, Qian M Q, Li X, Gu H J, Han X P, Li G, Shen G Y 2006 Sci. Sin. 36 449(in Chinese) [童勤业, 钱鸣奇, 李绪, 郭宏记, 韩晓鹏, 李光, 沈公羽 2006 中国科学E辑 信息科学 36 449]

    [12]

    Zhang H, Fang L P, Tong Q Y 2007 Acta Phys. Sin. 56 7339(in Chinese) [张宏, 方路平, 童勤业 2007 56 7339]

    [13]

    Destexhe A, Contreras D, Steriade M, Sejnowski T J, Huguenard J R 1996 J. Neurosci. 16 169

    [14]

    Destexhe A, Contreras D, Sejnowski T J, Steriade M 1994 J. Neurophysiol. 72 803

    [15]

    Mountcastle V B 1978 The Mindful Brain (Cambridge: MIT Press) pp7-50

  • [1]

    Jeffress L A 1948 J. Comp. Physiol. Psych. 41 35

    [2]

    Joris P X, Smith P H, Yin T C T 1998 Neuron 21 1235

    [3]

    Moiseff A, Konishi M 1981 J. Neurosci. 1 40

    [4]

    Massoud S, Aiken S J, Newmann A J, Phillips D P, Bance M 2011 Ear and Hearing 32 114

    [5]

    Tollin D J 2003 The Neuroscientist 9 127

    [6]

    Konishi M 1993 Sci. Am. 268 34

    [7]

    Nicholls J G, Martin A R, Wallace B G, Fuchs P A (translated by Yang X L) 2003 From Neuron to Brain (4th Ed.) (Beijing: Science Press) pp430-442 (in Chinese) [尼克尔斯 J G, 马丁 A R, 华莱士 B G, 富克斯 P A 著(杨雄里 等译) 2003 神经生物学——从神经元到脑 (北京: 科学出版社)第430–442页]

    [8]

    Campbell R A A, King A J 2004 Current Biol. 14 886

    [9]

    Rose J E, Hind J E, Anderson D J 1971 J. Neurophys. 34 685

    [10]

    Zhang H, Mo J, Tong Q Y 2007 Acta Biophys. Sin. 23 455(in Chinese) [张宏, 莫珏, 童勤业 2007 生物 23 455]

    [11]

    Tong Q Y, Qian M Q, Li X, Gu H J, Han X P, Li G, Shen G Y 2006 Sci. Sin. 36 449(in Chinese) [童勤业, 钱鸣奇, 李绪, 郭宏记, 韩晓鹏, 李光, 沈公羽 2006 中国科学E辑 信息科学 36 449]

    [12]

    Zhang H, Fang L P, Tong Q Y 2007 Acta Phys. Sin. 56 7339(in Chinese) [张宏, 方路平, 童勤业 2007 56 7339]

    [13]

    Destexhe A, Contreras D, Steriade M, Sejnowski T J, Huguenard J R 1996 J. Neurosci. 16 169

    [14]

    Destexhe A, Contreras D, Sejnowski T J, Steriade M 1994 J. Neurophysiol. 72 803

    [15]

    Mountcastle V B 1978 The Mindful Brain (Cambridge: MIT Press) pp7-50

  • [1] 董成伟. 非扩散洛伦兹系统的周期轨道.  , 2018, 67(24): 240501. doi: 10.7498/aps.67.20181581
    [2] 黄晓林, 霍铖宇, 司峻峰, 刘红星. 等概率符号化样本熵应用于脑电分析.  , 2014, 63(10): 100503. doi: 10.7498/aps.63.100503
    [3] 徐红梅, 金永镐, 金璟璇. 基于符号动力学的开关变换器时间不可逆性分析.  , 2014, 63(13): 130502. doi: 10.7498/aps.63.130502
    [4] 姜海波, 李涛, 曾小亮, 张丽萍. 周期脉冲作用下Logistic映射的复杂动力学行为及其分岔分析.  , 2013, 62(12): 120508. doi: 10.7498/aps.62.120508
    [5] 陈冲, 丁炯, 张宏, 陈琢. 累积放电模型及其符号动力学研究.  , 2013, 62(14): 140502. doi: 10.7498/aps.62.140502
    [6] 丁炯, 张宏, 童勤业. 蝙蝠听觉神经系统如何在复杂环境中识别昆虫.  , 2012, 61(15): 150505. doi: 10.7498/aps.61.150505
    [7] 孟继德, 包伯成, 徐强. 二维抛物线离散映射的动力学研究.  , 2011, 60(1): 010504. doi: 10.7498/aps.60.010504
    [8] 彭勇刚, 郑雨军. 双层生物膜的动力学性质.  , 2011, 60(8): 088701. doi: 10.7498/aps.60.088701
    [9] 王福来. 基于复合符号混沌的伪随机数生成器及加密技术.  , 2011, 60(11): 110517. doi: 10.7498/aps.60.110517
    [10] 宋爱玲, 黄晓林, 司峻峰, 宁新宝. 符号动力学在心率变异性分析中的参数选择.  , 2011, 60(2): 020509. doi: 10.7498/aps.60.020509
    [11] 包伯成, 胡文, 康祝圣, 刘中, 许建平. DOG小波映射伸缩和平移的动力学分析.  , 2009, 58(4): 2240-2247. doi: 10.7498/aps.58.2240
    [12] 沈民奋, 林兰馨, 李小艳, 常春起. 基于符号动力学的耦合映像格子系统的初值估计.  , 2009, 58(5): 2921-2929. doi: 10.7498/aps.58.2921
    [13] 王学梅, 张 波, 丘东元, 陈良刚. DC-DC变换器的符号时间序列描述及模块熵分析.  , 2008, 57(10): 6112-6119. doi: 10.7498/aps.57.6112
    [14] 刘小峰, 俞文莉. 基于符号动力学的认知事件相关电位的复杂度分析.  , 2008, 57(4): 2587-2594. doi: 10.7498/aps.57.2587
    [15] 王 开, 裴文江, 夏海山, 何振亚. 基于符号向量动力学的耦合映像格子初始向量估计.  , 2007, 56(7): 3766-3770. doi: 10.7498/aps.56.3766
    [16] 宋 杨, 赵同军, 刘金伟, 王向群, 展 永. 高斯白噪声对神经元二维映射模型动力学的影响.  , 2006, 55(8): 4020-4025. doi: 10.7498/aps.55.4020
    [17] 肖方红, 阎桂荣, 韩宇航. 混沌伪随机序列复杂度分析的符号动力学方法.  , 2004, 53(9): 2876-2881. doi: 10.7498/aps.53.2876
    [18] 应阳君, 王光瑞, 陈式刚. 一种数值方法定义Hénon映射符号动力学的讨论.  , 1994, 43(8): 1234-1240. doi: 10.7498/aps.43.1234
    [19] 谢发根. 一维简并双参数四次方映射的符号动力学.  , 1994, 43(2): 191-197. doi: 10.7498/aps.43.191
    [20] 张忠建, 陈式刚. 圆映象的符号动力学.  , 1989, 38(1): 1-8. doi: 10.7498/aps.38.1
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出版历程
  • 收稿日期:  2015-06-30
  • 修回日期:  2015-08-14
  • 刊出日期:  2015-09-05

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